Hohe Genauigkeit 32-bit-Energiespar-Mikrocontroller mit 16-bit-A/D-Wandler

Ein neuer Q32M210 genannter Energiespar-Mikrocontroller von On Semiconductor mit dem beliebten ARM-Cortex-M3-Core zielt auf tragbare Medizingeräte. Im Gegensatz zur direkten Konkurrenz beinhaltet er einen 16-bit-A/D-Wandler, der eine höhere Genauigkeit verspricht als die in dieser MCU-Klasse üblichen 12-bit-Wandler – allerdings auf Kosten der Stromaufnahme.

Sich widersprechende Ziele sind in der Technik ja nichts ungewöhliches, so auch bei Anwendungen wie z.B. Glukose-Messern, bei denen einerseits eine extrem hohe Genauigkeit erforderlich ist (in den USA hat die FDA (Food and Drug Administration) Forderungen nach geringeren Abweichungen bei entsprechenden Geräten gestellt), andererseits durch eine minimale Leistungsaufnahme die Batterielaufzeit maximiert wird.

Fakt ist, eine höhere Genauigkeit eines A/D-Wandlers (=mehr Bits) muss der Designer mit einer höheren Stromaufnahme bezahlen. Die Frage ist, reichen die bei bekannten Cortex-M3-basierten Low-Power-MCUs wie Energy Micros EFM32 oder ST Microelectronics STM32L verbauten 12-bit-Wandler aus (zumal ja die effektiv nutzbaren Bits durch Rauschen etc. noch darunter liegen dürften), um diese Anforderungen zu erfüllen.

Die erzielbare Genauigkeit hängt allerdings stark vom verwendeten Messprinzip ab und nicht alle Verfahren verlangen 16-bit-Genauigkeit bei der Analog-/Digitalwandlung. Es gibt Beispiele, bei denen eine Genauigkeitsverbesserung gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik bereits mit einem 12-bit-Wandler möglich ist. Störeinflüsse wie Rauschen etc. können durch entsprechende Maßnahmen wie Oversampling verringert werden, der A/D-Wandler im STM32L kann z.B. damit bis zu etwa 14 bit Auflösung bieten.

Für Messprinzipien mit Strömen im nA-Bereich, die 16-bit-Genauigkeit erfordern, ist selbst ein in den Mikrocontroller integrierter 16-bit-A/D-Wandler manchmal nicht ausreichend, da echte 16-bit-Genauigkeit in CMOS-Prozessen -  wenn überhaupt - nur schwer zu erzielen ist. In derartigen Fällen wird deshalb meist mit einem analogen Front-End (AFE) gearbeitet, einer Art ASIC in entsprechender Technologie, das die Signalaufbereitung und Anpassung an den Mikrocontroller übernimmt.

Nichtsdestotrotz glaubt ON Semiconductor mit dem Q32M210 eine echte 16-bit-Genauigkeit anbieten zu können. Die Betriebsspannung darf zwischen 1,8 und 3,3 V liegen, dank einer On-Chip-Ladungspumpe kann selbst bei einer Spannung von 1,8 V am Front-End eine Spannung von 3,6 V bereitsgestellt werden. Die maximale Taktfrequenz beträgt 17 MHz, mit 400 µA/MHz im aktiven Modus ist die MCU zwar durchaus energiesparend, kommt aber an die Werte von EFM32 und STM32L (180 µA/MHz bzw. 230 µA/MHz) nicht heran. In einem Energiesparmodus, in welchem Register- und SRAM-Inhalte (es gibt 48 Kbyte SRAM on Chip) erhalten bleiben, werden weniger als 21 µA aufgenommen und in einem Sleep-Modus, in welchem nur noch die Echtzeituhr und der Wakeup-Controller aktiv sind, werden 700 nA unterboten. Das Aufwecken passiert durch Echtzeituhr oder bis zu vier externen Events über den Wakeup-Controller. Bei einem Glukose-Messgerät, dass am Tag 5 Minuten benutzt wird und in welchem der Q32M210 mit 8 MHz getaktet wird (das reicht bei der Rechenleistung eines Cortex-M3 sicher aus), würde sich damit eine Batterielaufzeit z.B. einer 2032-Lithium-Zelle von über 600 Stunden ergeben.

Neben dem „Highlight“, dem zweikanaligen 16-bit-A/D-Wandler, der zudem mit einem PGA verbunden ist, so dass eine externe Pufferung der Signale nicht erforderlich ist, hat der Q32M210 noch weitere nennenswerte Eigenschaften zu bieten. Der 256 Kbyte große Flash-Speicher ist mit Fehlerkorrektur-Mechanismen versehen (ECC), durch die 1-bit-Fehler erkannt und automatisch korrigiert werden, ab 2 Bitfehlern wird eine Exception ausgelöst. Der Q32M210 bietet eine integrierte Stromversorgungsüberwachung mit Brown-out-Schutz und Erkennung schwacher Batterien, sodass ein zuverlässiger Betrieb bei sämtlichen Batteriezuständen garantiert ist.

Weiterhin sind eine Echtzeituhr, das Power-Management, eine 112-Segment-LCD-Schnittstelle, niederohmige Schalter mit weniger als 5 Ohm, frei verfügbare Operationsverstärker, eine Präzisionsspannungsreferenz (< 50 ppm/°C) und ein RC-Oszillator auf dem Chip integriert (Bild). An Datenschnittstellen gibt es UART, Dual-SPI/SQI, I2C, I2S und USB 2.0 Full Speed (12 Mbit/s) mit integriertem PHY. Abgerundet wird die Peripherie durch drei 10-bit-D/A-Wandler mit konfigurierbarem Dynamikbereich. Für die GPIOs können bis zu 8 Interrupts eingestellt werden. Desweiteren können die Eingänge auch 8:1, 3:1 oder 5:1 auf die Operationsverstärker gemultiplext werden, was eine große Flexibilität hinsichtlich der eingesetzten Sensoren ermöglicht. Zu den A/D-Wandlern ist noch zu ergänzen, dass diese fixe Umsetzungszeiten haben und 1000 Abtastungen pro s vornehmen.

Muster des Q32M210 stehen ab sofort zur Verfügung. Der Preis pro Baustein beträgt 4,99 Dollar bei einer Mindestabnahme von 10000 Stück.